西安交通大学研究团队提出快速陡脉冲重复电场下高频变压器绝缘介质损耗与冲击能量积聚特性

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随着SiC等大功率半导体器件的使用，高频变压器中非正弦方波电压上升与下降沿出现陡脉冲应力，给高频变压器绝缘可靠性带来巨大挑战。西安交通大学研究团队围绕dv/dt对高频变压器绝缘介质损耗与冲击能量积聚的影响展开研究。采用阶跃响应函数模拟高dv/dt脉冲电压，结合绝缘介质损耗分解与计算，提出了dv/dt与方波电压叠加下绝缘介质损耗的计算方法。研究结果为大容量高频变压器绝缘失效与设计提供指导。

研究背景

电力电子变压器（PET）是实现可再生与分布式能源接入、并网和灵活交直流输配电的关键设备。高频变压器是PET的核心部件，与传统工频变压器相比，高频变压器承受高频非正弦电压，电压波形通常为双极性方波。功率半导体器件的快速开通和关断造成快速的电压上升沿，高次电压谐波也会叠加在瞬态绕组电压上，导致高频变压器中出现多频电应力，给高频变压器绝缘可靠性带来巨大挑战。

论文所解决的问题及意义

本文针对高频变压器绝缘材料在高频、高dv/dt电压下的电-热失效问题，开展dv/dt与方波电压叠加下高频变压器固体绝缘环氧树脂介质损耗计算与分析，以及高dv/dt对绝缘冲击能量损伤的影响。通过有限元物理场仿真研究获得了高频变压器绝缘温升与冲击能量特性。研究结果对大容量高频变压器绝缘失效与可靠性具有重要意义。

论文方法及创新点

1.高频非正弦电压下绝缘介质损耗分析

设不同dv/dt方波电压下电场强度均为1 kV/mm，可以计算得到不同dv/dt方波电压下绝缘介质损耗功率密度如图1所示。结果表明，绝缘介质损耗功率密度随电压上升速率dv/dt增加而增大，且呈现非线性增加。当dv/dt为10 kV/μs时，损耗功率最高达到了38.2 kW/m3，比dv/dt为0.5 kV/μs时的18.7 kW/m3增大了两倍。

图1 绝缘介质损耗随电压上升速率dv/dt变化规律

2.高频变压器物理场仿真模型

本文所研究的对象是10 kW、10 kHz、1000V/750V的高频变压器，图2为该高频变压器二维几何结构与磁心窗口放大图。

图2 高频变压器仿真几何模型

3.陡脉冲下绝缘电场与冲击能量分析

图3为计算获得的随时间变化的电场强度分布结果。结果表明电场集中在绕组端部到磁心之间的部位。电场分布随时间而变化。在一个周期内，绝缘电场呈现周期性变化。最大电场集中在绕组端部绝缘处。

图3 不同时刻环氧树脂中电场强度/V·m-1

图4为高频变压器温度场仿真结果。结果表明高频变压器热点温度出现在中部绕组中，可达 56.4 ℃。铁心外部温度在 45 ℃附近。

图4 考虑介质损耗的10 kW、10 kHz高频变压器温度场仿真结构

图5为不同dv/dt下绕组端部pd的分布结果。结果表明，能量冲击功率密度pd的最大值集中在绕组端部，与电场分布一致，且随着dv/dt增大pd也明显增大，表明dv/dt越大由电压极性反转带来的冲击能量积聚越大。

图5 不同dv/dt下绕组端部功率密度/W·m-3

4.高频变压器实验测试验证

通过双向LLC谐振DC-DC功率变换器测量10 kW、10 kHz、1 kV/750 V 的高频变压器，测试平台如图6所示。

图6 高频变压器测试平台（LLC谐振DC-DC变换器50kW）

图7为高频变压器在 10 kW运行30 min后的温度测试结果，与图4中的温度仿真结果类似，误差较小。因此，本文考虑dv/dt的高频变压器绝缘介质损耗计算可得到验证。

图7 红外热像仪测试高频变压器温度分布

结论

1）根据绝缘介质损耗机理，采用阶跃函数模拟dv/dt脉冲，通过频域叠加，推导得到了不同 dv/dt方波电压下绝缘介质损耗计算公式。计算表明高dv/dt时绝缘介质损耗可增加两倍以上。

2）采用有限元物理场仿真发现绝缘电场畸变发生在绕组端部，且随dv/dt周期变化很小，最大电场变化很小，但出现时间缩短。表明高dv/dt时，绝缘内部出现多次电场集中。

3）从绝缘材料在交变电场下能量储存和释放的角度分析了能量密度pd。其与绝缘位移电流和电场畸变密切相关。计算表明pd随dv/dt增加而显著增大，表明极性反转时的冲击能量显著增加，pd与介质损耗协同作用导致高dv/dt下绝缘电-热累积效应增加，从而影响绝缘失效特性。实验结果表明变压器温度与仿真一致，验证了本文的介质损耗与能量冲击的分析。

团队介绍

李盛涛教授团队依托西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室，团队成员13人，其中教授3名（杰青、腾飞特聘教授、优青&青拔），副教授4名，助理教授3名，技术人员2名，秘书1名，科研财务助理1名。团队成员荣获国家科技进步二等奖1项、国家自然科学奖二等奖3项、省部级一等奖4项，国家电网特高压交/直流示范工程特殊贡献专家等奖项。团队瞄准高水平论文，积极扩展学术影响力，研究成果在PRL、Macromolecules、JPCL、ASS、APL、IEEE系列、中国电机工程学报等知名期刊发表论文500余篇，其中SCI收录180余篇。

团队始终面向国民经济主战场，围绕重大科学问题和关键核心技术，开展多元研究：包括超/特高压电力设备绝缘、先进电工材料基础、极端条件下的绝缘问题和相关学科交叉研究。团队成员主持和参与了国家重点研发计划课题、陕西省重点研发计划课题、973课题、国防973课题、国家自然科学基金重点基金项目、国家自然基金国际合作项目项等纵向项目，与法国施耐德、法国阿尔斯通、瑞士ABB、日本明电舍、日本三井化学等国际企业也开展了密切合作，并承担了多项国网及国内其他企业项目。

王威望

西安交通大学电气工程学院副教授，博士生导师，电工电子教学实验中心副主任。2015年在西安交通大学获得博士学位，2016.5-2017.9在日本东京都市大学机测电机制御实验室从事博士后研究。主要从事电工材料介电性能和失效机理、新能源电力电子高频变压器、数据驱动融合应用等方向研究。已发表学术论文50余篇，发表英文学术专著1部（撰写1章），其中以第一或通讯作者发表SCI国际期刊论文20余篇。作为项目负责人承担国家自然科学基金面上与青年项目，国家重点研发计划子课题项目等国家级、省部级、校级和企业合作项目10余项。入选2018年中国电机工程学会青年人才托举工程计划项目，获得2018年西安交通大学优秀博士论文，获得2020年陕西省高等学校课堂创新大赛优秀奖。担任中国电源学会磁技术专委会副主任委员。

李盛涛

西安交通大学教授，博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者，电力设备电气绝缘国家重点实验室常务副主任，主要从事电介质理论及其应用、电气功能材料及器件的研究、极端条件下的绝缘材料和绝缘技术和真空及多种气氛下的沿面闪络机理等方面的研究。在工程电介质理论及其应用、特高压电气绝缘技术研究方面取得了突出成绩，获国家科技进步二等奖1项、省部级一等奖4项，中国电工技术学会理事、工程电介质专业委员会主任委员。2009、2010年分别获国家电网特高压交流试验示范工程特殊贡献专家和特高压直流输电工程重要贡献专家。授权发明专利22项，发表论文485篇，其中SCI收录论文180余篇，出版专著4部，翻译英文著作1部，参与编写手册和大典4部。承担国家重点研发计划课题、陕西省重点研发计划课题、973课题、国防973课题、国家自然科学基金重点基金、国家自然基金国际合作等项目近60项。担任IEEE系列国际会议CMD 2016、ICEMPE 2017、ICPADM 2018、ICEMPE 2019 大会主席，并在国际会议上作特邀报告12次。

本文编自2023年第4期《电工技术学报》，论文标题为“快速陡脉冲重复电场下高频变压器绝缘介质损耗与冲击能量积聚特性”。本课题得到国家自然科学基金面上项目、陕西省自然科学基础研究计划青年项目和电力设备电气绝缘国家重点实验室中青年基础研究创新基金的支持。

引用本文

王威望, 李睿喆, 何杰峰, 张晓彤, 李盛涛. 快速陡脉冲重复电场下高频变压器绝缘介质损耗与冲击能量积聚特性[J]. 电工技术学报, 2023, 38(5): 1206-1216. Wang Weiwang, Li Ruizhe, He Jiefeng, Zhang Xiaotong, Li Shengtao. Dielectric Loss and Impact Energy Accumulation of High Frequency Transformer Insulation under Rapidly Repetitive Pulsed Voltages. Transactions of China Electrotechnical Society, 2023, 38(5): 1206-1216.

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